基于形態分析法的逆向參數化建模

叢海宸，成思源，楊雪榮，劉吉安，張湘偉

（1.廣東工業大學　機電工程學院，廣州 510006；2.廣東工業大學　藝術設計學院，廣州 510006）

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基于形態分析法的逆向參數化建模

叢海宸1，成思源1，楊雪榮1，劉吉安2，張湘偉1

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006；2.廣東工業大學藝術設計學院，廣州 510006）

摘 要：近年來，隨著逆向工程的發展，逆向參數化建模在產品創新設計中起著越來越重要的作用。通過對形態分析法進行分析、改進，以實現與逆向參數化建模相結合，提出基于形態分析法的逆向參數化建模方法，并詳細介紹了這種逆向參數化建模方法的優勢及其一般流程。以逆向參數化建模軟件Geomagic Design X為平臺，通過對電熱水器控制板進行基于形態分析的逆向參數化建模及誤差分析，驗證了該建模方法的優勢，為產品的逆向創新設計提供了一種有效的建模方法。

關鍵詞：逆向工程；創新設計；形態分析法；參數化建模；Geomagic Design X

0　引言

逆向工程（Reverse Engineering，RE）作為掌握新技術的一種手段，可將產品研制周期縮短40%以上，受到工業界等多行業工作者的重視。逆向參數化建模主要包括特征提取、創建特征、特征編輯［1］三個步驟，在特征提取階段因其方便對原產品參數進行修改并進行二次設計，所以已成為逆向工程中的重要發展方向［2］，以及實現新產品快速開發的重要技術手段。

隨著生活水平的不斷提高，以消費者心理實驗和用戶反饋信息作為出發點，設計出結合消費者與市場的創新產品，對企業的發展至關重要，同時也對設計人員如何設計出滿足產品屬性、系統性準則及設計目標相結合的產品模型［3］提出了更高的要求。因此，能否將產品設計需要與逆向再設計相結合，決定著新產品研發的效果及其可推廣程度。

1　形態分析法

形態分析法是二戰期間，美國加州理工學院的茲維基教授為研制德國高度保密的F-1型和F-2型巡航導彈，通過分析火箭的各主要組成要素，及各要素可能具有的形態，將其形態要素按排列組合原理，構造出576種設計方案，并成功制造出巡航導彈［4］，經后期的總結研究，進而創造了該方法。

形態分析法的主要操作步驟是：1）要素分析，即將研究對象分解為若干相互獨立的基本要素；2）形態分析，即詳細分析各基本要素的“形”和“態”（形是指物質形體，包括形狀、顏色、材質等外在物質性因素；態是指產品的神態，包括內涵要素）［5］；3）構造形態矩陣，即以某一獨立要素形態與其他各要素形態進行矩陣分析，再進行排列組合，總結出可能的總體組合方案；4）評價選擇，即以需求為評價標準，對各形態組合方案進行評價，從中選取最佳方案。

形態分析法作為一種技術預測定性方法已廣泛應用于工業等多個領域［6］，因其能夠對產品各要素進行分析，確定要素原件，再對要素原件進行形態分解，獲取產品形狀單元，從而使設計師能夠明確新產品的結構設計知識，包含通用性知識、控制性知識和表達性知識［7］。其提取創新產品的通用性知識所蘊含的平面形態元素能夠滿足進行逆向參數化建模中的特征提取建模環節的需要；控制性知識所蘊含的三維形態元素能夠滿足創建特征環節的需要以及表達性知識所蘊含的三維空間元素能夠滿足特征編輯環節的需要，所以經形態分析法分析后進行逆向參數化建模能夠明確設計目的、設計要求，從而提高設計效率，使之與逆向參數化建模相結合成為可能。

因此，本文提出了一種基于形態分析法的逆向參數化建模方法，在逆向設計前，通過形態分析法對原產品進行系統分析，獲取各建模要素，從而明確設計要求，并通過逆向參數化建模進行實現，提高產品再設計效率。

2　基于形態分析法的逆向參數化建模

基于形態分析法的逆向參數化建模是對傳統形態分析法進行改進，使其與逆向參數化建模更加緊密結合，從而縮短設計周期，提高產品設計效率，其流程如圖1所示。

圖1　基于形態分析法的逆向參數化建模流程

該方法是以創建新產品模型為導向，以用戶反饋信息和廠家制造需求為出發點，首先進行需求分析，提煉需改進的功能及新功能；而后進行要素分析，明確實現各功能的要素原件，并對各要素原件進行數據采集，然后對各要素原件進行形態分析，獲取要素原件組合后的待設計產品總體結構；再對形態分析中待設計產品總體結構進行形態分解，通過解構［8］提取基本結構形狀等相關設計信息，建立結構模型，從而獲取結構模型與逆向建模流程映射關系圖，如圖2所示，并創建新產品模型。

圖2　結構模型與逆向建模流程映射關系圖

解構是實現該建模方法的重要步驟，本研究所述解構是以逆向參數化建模需要為出發點，以解構出最小的參數化建模單元為目標，對形態分析中的各要素位置關系、尺寸大小進行提取。

形態分析所獲各結構元素與逆向建模要素存在如圖2所示映射關系，可以使設計師在掌握最終產品三維空間元素（即逆向建模中產品最終特征）的基礎上，明確特征編輯前所需三維形態元素（即創建待編輯實體特征），進而有針對性的對原產品數據模型進行特征提取，以獲取創建特征所需的平面形態元素，從而明確各設計步驟，能夠使設計師快速、準確的創建新產品參數化模型。

通過需求分析，可明確設計目的，使新產品最大限度的滿足使用和市場需要，進而減少出現反復設計的情況。而后經要素分析，確定要素原件，明確設計對象。再對設計對象進行形態分析獲取要素原件組合后的待設計產品總體結構，規劃逆向設計要求思路，并通過形態分解、解構將設計對象分解為結構單元，確定各要素位置關系、尺寸大小，進而可以快速獲取模型的設計要求，根據設計要求進行逆向參數化建模，從而實現快速、有效地創建新產品模型。

3　應用實例

本實例采用電熱水器控制板為創新設計對象，如圖3所示。以關節臂作為數據采集工具，以Geomagic Design X軟件為逆向參數化建模平臺進行逆向創新建模。

圖3　原電熱水器控制板

3.1需求分析

經過長期的使用，用戶反映該控制板存在出如下問題：1）顯示屏固定于水箱上，維修、更換不便；2）當水溫達到設定要求時會自動斷電，因此不需要設置定時器；3）冷水和熱水出水口位置不便于洗澡；4）避免被控制板劃傷。上述問題即為用戶反饋信息。對于電熱水器廠家制造需求方面，為降低成本，應不改變控制板整體安裝結構，確保實現控制板與電熱水器外殼裝配，因此逆向創新建模時要保證控制板外輪廓結構形狀、尺寸大小不變，以及控制板厚度不變。

綜上所述，可以確定逆向參數化建模設計目的為在不改變控制板外輪廓形態條件下，使顯示屏固定于控制面板，去除定時器固定孔，保留開關固定孔、流量計固定槽，增加冷水和熱水出水口，并將各邊倒鈍。

3.2要素分析

為解決用戶和企業需求，需要如下要素：1）原控制板；2）顯示屏；3）冷水和熱水出水接口。因開關和流量計保留原設計，所以新控制板形狀由原控制板通過關節臂掃描，獲取其表面數據即可。定時器固定孔因去除該功能，所以在進行點云數據封裝后去除這一特征。在新控制板上加裝冷、熱水管出口固定孔。顯示屏固定于控制板，需加裝顯示屏固定槽，同時固定槽應符合電熱水器內水箱表面曲率變化，使新控制板固定后固定槽不與水箱產生干涉。因此，可以確定設計對象為原控制板、冷熱水出水管固定接口及顯示屏固定槽。

使用關節臂對原控制板進行掃描，獲取點云數據，然后將點云數據導入到Geomagic Design X軟件中，經采樣、刪除體外孤點等點階段操作，將點云數據封裝為多邊形模型，并對多邊形進行網格醫生、編輯邊界等多邊形階段操作，所得模型如圖4所示。

圖4　多邊形模型

使用游標卡尺測量原控制板總厚度為3mm，上層厚度為1.2mm，下層厚度為1.8mm；冷水和熱水出水接口為R8mm；顯示屏4固定孔外徑為R2mm，內徑為R1mm，相互距離為89mm×49mm，顯示屏屏幕尺寸為92mm×52mm×7mm。

3.3形態分析

對原控制板進行形態分析，如圖5所示。通過形態分析結果，我們可以直觀地掌握設計對象的各形態單元。然后依次對顯示屏和出水接口進行形態分析。

圖5　形態分析

對各要素形狀單元匯總，其中原控制板形狀為非規則自由曲面，顯示屏為長方體，出水接口為圓柱形，形成新控制板總體結構（即原非規則自由曲面上增加一個長方體顯示屏固定槽和兩個水管出口圓柱固定孔），同時對新控制板結構進行形態分解、解構，創建結構模型及其與逆向建模流程映射關系圖，如圖6所示，并進行逆向建模。

圖6　結構模型與逆向建模流程映射關系圖

由結構模型與逆向建模流程映射關系圖可知，設計要求是逆向設計出原控制板特征及流量計固定槽特征等相關特征，并對顯示屏安裝槽進行設計，同時對各邊進行倒鈍處理。

3.4逆向參數化建模

通過設計要求可知，首先對控制板、流量計固定槽相關特征進行逆向設計，獲取電熱水器控制板大致輪廓形狀，然后再對顯示器安裝槽進行設計，將各邊倒鈍后，完成電熱水器控制板創新設計。

3.4.1控制板逆向設計

將多邊形模型進行領域劃分，并對領域進行編輯，如圖7所示。劃分領域時應使各獨立特征由同一個領域表達，可方便對非規則自由曲面進行擬合，創建曲面特征。

圖7　領域劃分

因控制板上、下兩層輪廓尺寸不同，所以先獲取上層輪廓特征，然后獲取下層輪廓特征，最后將兩特征進行布爾求和，獲取控制板。

通過邊界投影，提取控制板邊界輪廓（P1）特征草圖，并對草圖中各邊線尺寸進行修改，同時對位置進行約束［9］，因上層各輪廓尺寸較整體輪廓尺寸小4mm，再將草圖向內偏置2mm，然后進行拉伸，獲得實體模型，創建控制板拉伸實體特征（X1）。由于上層輪廓特征表達不完全，因此繼續創建其非規則自由曲面特征（X2）。首先對上層輪廓特征領域1進行面片擬合［10］，并將擬合后曲面其向下偏置1.2mm，然后使用兩個已擬合的自由曲面分別對拉伸實體進行剪切，獲取控制板上層特征，如圖8所示。

圖8　控制板上層特征

以原多邊形模型數據為參考，進行偏差分析［11］，可知所創建實體模型偏差可控制在±0.05內，如圖9所示。

圖9　控制板上層特征偏差分析

依據控制板上層特征操作流程，獲取控制板下層特征，然后將兩特征進行合并布爾運算，獲取控制板，如圖10所示。

圖10　控制板

再根據邊界投影，提取顯示屏、流量計和開關及冷熱水管接口特征草圖（P3），并進行拉伸剪切，獲取開關及冷熱水管固定接口（X3），完成控制板各特征（K1），如圖11所示。

圖11　控制板特征

3.4.2流量計固定槽逆向設計

通過領域2對固定槽進行面片擬合，擬合時進行平面和圓柱面定義，保證固定槽特征，然后各曲面進行相互裁剪并縫合，獲取流量計固定槽曲面，如圖12所示。

圖12　流量計固定槽曲面

將流量計固定槽曲面向外偏置3mm，兩曲面與控制板上層特征曲面進行裁剪并縫合，生成特征實體（X4），然后通過邊界投影，提取兩固定孔草圖（P5），而后拉伸剪切，形成流量計固定孔（X5），完成流量計固定槽（K2）逆向設計，并進行偏差分析，可知所創建實體模型偏差可控制在±0.05內，如圖13所示。

圖13　流量計固定槽逆向設計

3.4.3顯示器固定槽設計

依據要素分析中所測得顯示器各相關參數值，構建固定槽結構、尺寸（P6），然后經拉伸到曲面操作，創建顯示屏固定槽特征（X6），再通過控制板下層特征曲面偏置8mm的曲面（X2）裁剪拉伸實體，確定固定槽高度為8mm，同時根據顯示屏固定孔位置（P7），確定控制板上固定孔位置，經拉伸后形成圓柱固定孔（X7），完成顯示屏固定槽特征創建（K3），且該固定槽符合水箱特征曲率，不會與水箱發生干涉，如圖14所示。

圖14　顯示屏安裝槽設計

各形態特征設計完成后，將各特征進行布爾運算，合并為同一整體，并進行倒角（K4）等特征編輯，完成原電熱水器控制板的創新設計，新電熱水器控制板參數化模型如圖15所示。

圖15　新電熱水器控制板參數化模型

4　結束語

本文提出了基于形態分析法的逆向參數化建模方法，并分析了這種參數化建模方法的優勢及其一般流程。以Geomagic Design X軟件為平臺，通過逆向創新設計電熱水器控制板的參數化模型為例，證明了該建模方法可以使設計人員明確設計目的、設計對象、設計要求，通過對形態分析獲取各單元要素，并對形狀單元要素進行解構創建結構模型，由解構后映射關系圖可使設計師直觀了解模型原始設計意圖，進而明確建模信息，掌握新產品相關結構設計知識，從而達到便于進行逆向參數化建模的目的。并以原始采集數據的多邊形模型為依據，對參數化模型進行了誤差分析，表明該參數化建模方法可在保證模型精度的基礎上，進行產品再設計，為產品的逆向創新設計提供了一種有效地建模方法。

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Reverse parametric modeling based on the application of morphological analysis

CONG Hai-chen1， CHENG Si-yuan1， YANG Xue-rong1， LIU Ji-an2， ZHANG Xiang-wei1

中圖分類號：TB21

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134（2016）05-0115-05

收稿日期：2016-01-07

基金項目：廣東省科技計劃項目（2011A060901001，2013B061000006，2014A040401078）

作者簡介：叢海宸（1991 -），男，山東人，碩士研究生，研究方向為逆向工程研究等。